第二講直流穩(wěn)壓電源

第二講直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源的組成框圖

直流穩(wěn)壓電源的組成整流電路(rectifier)：是將交流電變換成單方向的直流電。整流電路種類：（1）按整流元件的類型：二極管整流和可控硅整流；（2）按交流電源的相數(shù)：單相和多相整流；（3）按流過負(fù)載的電流波形：半波和全波整流；（4）按輸出電壓相對于電源變壓器次級電壓的倍數(shù)：一倍壓、二倍壓及多倍壓整流等。一整流電路單相半波整流電路1.工作原理

單相半波整流（halfwaverectifier）電路是最簡單的整流電路，電路組成如圖2所示。設(shè)二極管VD為理想二極管，RL為純電阻負(fù)載。

交流電網(wǎng)電壓經(jīng)電源變壓器降壓后，變?yōu)檎麟娐沸枰慕涣麟妷篣2為其有效值。在u2正半周，a端電位高于b端電位，故VD導(dǎo)通。電流流經(jīng)的路徑為a端→VD→RL→b端，若忽略變壓器次級內(nèi)阻，則RL端電壓即電路的輸出電壓為：在u2負(fù)半周，b端電位高于a端電位，故VD截止，且：

u2及uo波形如圖8-3所示。由圖可見，正弦交流電壓u2經(jīng)半波整流后變?yōu)閱我环较虻闹绷麟妷簎o。圖2單相半波整流電路

圖3半波整流電路波形圖

2.主要參數(shù)（1）輸出電壓平均值Uo。將圖8-3所示的輸出電壓uo用傅里葉級數(shù)展開得

其中的直流分量即為輸出電壓平均值Uo，即(8-1)(8-2)Uo越高，表明整流電路性能越好。

（2）輸出電流平均值Io

(8-3)（3）輸出電壓脈動系數(shù)S。除直流分量外，uo還有不同頻率的諧波分量。如第二項為基波，第三項為二次諧波，它們反映了uo的起伏或者說脈動程度。其中基波峰值與輸出電壓平均值之比定義為輸出電壓的脈動系數(shù)S（ripplefactor），則半波整流電路的脈動系數(shù)為:(8-4)

S越小，表明輸出電壓的脈動越小，整流電路性能越好。單相半波整流電路結(jié)構(gòu)簡單，只需一只整流二極管，但輸出電壓脈動大，平均值低。將其改進(jìn)之后可得到單相全波整流電路。單相全波整流電路

圖4單相全波整流電路圖5全波整流電路波形圖將uo用傅里葉級數(shù)展開得

(8-5)故全波整流電路的輸出電壓平均值為

(8-6)輸出電流平均值為

(8-7)輸出電壓脈動系數(shù)為

(8-8)單相橋式整流電路（bridgerectifiercircuit）1.工作原理與單相全波整流電路相比，變壓器次級無中心抽頭，但二極管數(shù)目增加，由四個二極管VD1～VD4構(gòu)成整流橋。VD1～VD4均為理想二極管，仍設(shè) 。

u2正半周，a端電位高于b端電位，故VD1、VD3導(dǎo)通，VD2、VD4截止，電流流經(jīng)路徑為a端→VD1→RL→VD3→b端（如圖中實心箭頭所指）；

u2負(fù)半周，b端電位高于a端電位，VD2、VD4導(dǎo)通，VD1、VD3截止，電流路徑為b端→VD2→RL→VD4→a端（流經(jīng)負(fù)載RL時，方向如圖中空心箭頭所指）。即兩對交替導(dǎo)通的二極管引導(dǎo)正、負(fù)半周電流在整個周期內(nèi)以同一方向流過負(fù)載，u2及uo波形如圖8-7所示。圖6單相橋式整流電路

圖7橋式整流電路波形圖

2.二極管的選擇

橋式整流電路對整流二極管的參數(shù)要求主要有兩項：（1）最大整流電流IF。圖8-6中流過每個二極管的電流平均值

(8-9)再考慮到電網(wǎng)電壓可能有±10%的波動，故應(yīng)保證

(8-10)

（2）最大反向工作電壓UR。圖8-6中每個二極管截止時承受的最大反向電壓為考慮到電網(wǎng)電壓可能有±10%的波動，故應(yīng)保證

為方便對照，現(xiàn)將單相半波整流、全波整流和橋式整流的主要參數(shù)示于表8.1。由表可知，橋式整流電路的性能最佳。目前市場上有不同性能指標(biāo)的整流橋堆產(chǎn)品，實際使用時只需將電源變壓器與整流橋堆相連即可，非常方便。

表1三種整流電路主要參數(shù)對比二濾波電路

整流電路的輸出雖為單一方向的直流電，但因其含有較大的諧波成分，故波形起伏明顯，脈動系數(shù)大，不能適應(yīng)大多數(shù)電子設(shè)備的需要。一般整流電路之后，還需接入濾波電路（filters）以濾除諧波成分，使脈動的直流電變?yōu)楸容^平滑的直流電。1.電容濾波

在橋式整流電路的基礎(chǔ)上，輸出端并聯(lián)一個電容C就構(gòu)成了電容濾波電路（capacitancefilter），如圖8-8(a)所示。圖8-8單相橋式整流電容濾波電路及工作波形(a)電路；(b)理想情況下uo波形；(c)二極管電流波形

可見，電容濾波是通過電容的儲能作用（充放電過程）:(1)在u2升高時，把部分能量儲存起來（充電），(2)在u2降低時，又把儲存的能量釋放出來（放電），從而在負(fù)載RL上得到一個比較平滑的、近似鋸齒形的輸出電壓uo，使其脈動程度大為降低，并且平均值提高。設(shè)整流電路內(nèi)阻（即變壓器次級內(nèi)阻與二極管導(dǎo)通電阻之和）為R′，則電容C的充電時間常數(shù):放電時間常數(shù)：

通常RL>>R′，濾波效果取決于τf。C和RL越大，τf就越大，電路的放電過程更緩慢，因而輸出電壓更平滑，平均值更高。一般情況下，可按下式計算Uo和S，即：(8-13)例如：已知正弦波頻率f=50Hz(即T=0.02s)，若設(shè)C=2500μF，RL=1kΩ，則：

可見輸出電壓的脈動程度大為降低。(8-14)使用電容濾波電路時還應(yīng)注意以下幾點：(1)電容濾波適用于負(fù)載電流Io較小且變化不大的場合。因為：當(dāng)Io=0（即負(fù)載RL開路）時，電容充電至后不再放電，故有 ；隨著Io的增大（或負(fù)載RL的減小），C的放電時間常數(shù)τf減小，放電加速，Uo將明顯減小。(2)所需電容容量較大，至少應(yīng)滿足RLC≥(3～5)T/2的條件。由于一般采用電解電容，因此使用時要特別注意正負(fù)極性不能接反，否則電容會被擊穿。(3)流過每個二極管的沖擊電流很大。由于增加了電容支路，流過每個二極管的電流比未并聯(lián)電容之前增大，但每個二極管的導(dǎo)通時間反而減小，因此在二極管導(dǎo)通的短暫時間內(nèi)，將有很大的沖擊電流流過。選擇二極管時必須注意，應(yīng)選擇最大整流電流IF較大的管子。2.電感濾波當(dāng)負(fù)載電流較大時，電容濾波已不適合，可選用電感濾波(inductancefilter)，如圖8-10。圖8-10單相橋式整流電感濾波電路

電感與電容一樣具有儲能作用。

u2升高流過電感L的電流增大L中產(chǎn)生自感電動勢能阻止電流的增大，部分電能轉(zhuǎn)化成磁場能儲存起來；

u2降低流過L的電流減小L中自感電動勢阻止電流的減小，釋放出存儲的能量以補(bǔ)償電流的減小。經(jīng)電感濾波后，輸出電流和電壓的波形也可以變得平滑，脈動減小。顯然，L越大，濾波效果越好。由于L上的直流壓降很小，可忽略，故電感濾波電路的輸出電壓平均值與橋式整流電路相同，即：Uo≈0.9U2實際電路中：

電容濾波的應(yīng)用最為廣泛，它適用于負(fù)載電流較小且變化不大的場合；電感濾波和LC濾波的輸出特性較好，帶負(fù)載能力強(qiáng)，適用于大電流或負(fù)載變化大的場合，缺點：電感濾波器體積大，十分笨重，故通常只用于工頻大功率整流或高頻電源中。三串聯(lián)型穩(wěn)壓電源

整流濾波電路將交流電變換成了比較平滑的直流電，但輸出電壓Uo仍會受到下列因素的影響：(1)電網(wǎng)電壓通常允許有±10%的波動，這將造成Uo按相同的比例變化；(2)輸出電流（即負(fù)載電流）Io通常是作為其它電子電路的供電電流，可能會經(jīng)常變動，Uo將隨Io的變化（或負(fù)載阻值RL的變化）而變化。

穩(wěn)壓電路的作用就是消除上述兩項變動因素對輸出電壓的影響，獲得穩(wěn)定性好的直流電壓。1穩(wěn)壓電路的性能參數(shù)

穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓性能主要可通過穩(wěn)壓系數(shù)Sr（coefficientofvoltagestabilization）和輸出電阻Ro兩項參數(shù)來衡量。

穩(wěn)壓系數(shù)Sr定義為在固定負(fù)載條件下，輸出電壓變化量ΔUo與輸入電壓變化量ΔUi之比,即(8-16)工程上還有一個類似的概念，稱為電壓調(diào)整率Su，是指當(dāng)輸入電壓變化±10%時的輸出電壓變化量ΔUo。穩(wěn)壓系數(shù)和電壓調(diào)整率均表征了穩(wěn)壓電路抗電網(wǎng)電壓波動能力的大小，Sr或Su越小，電路的穩(wěn)壓性能越好。輸出電阻定義：為在固定輸入電壓條件下，負(fù)載變化產(chǎn)生的輸出電壓變化量ΔUo與負(fù)載輸出電流變化量ΔIo之比,即(8-17)工程上也有一個類似的概念，稱為電流調(diào)整率Si，是指當(dāng)Io在0～I(xiàn)omax范圍內(nèi)變化時的輸出電壓變化量ΔUo。輸出電阻和電流調(diào)整率均表征了穩(wěn)壓電路抗負(fù)載變化能力的大小，Ro或Si越小，電路的穩(wěn)壓性能越好。【例8-2】穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路如圖8-12(a)所示。已知Ui=25V，波動范圍±10%。穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓UZ=10V，穩(wěn)壓管電流IDZ的允許變化范圍為10～60mA。負(fù)載電阻RL的變化范圍為1～5kΩ。（1）試確定限流電阻R的取值范圍；（2）若R為400Ω，穩(wěn)壓管動態(tài)電阻rZ為10Ω，估算電路的穩(wěn)壓系數(shù)Sr和輸出電阻Ro。圖8-12例8-2電路圖(a)電路；(b)微變等效電路

解：穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路（zenervoltageregulator）是一種最簡單的直流穩(wěn)壓電路。當(dāng)Ui>UZ時，穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)，只要穩(wěn)壓管電流在允許的范圍內(nèi)，其端電壓就能基本保持不變，穩(wěn)壓管的這種電流調(diào)節(jié)作用是其作為穩(wěn)壓電路的工作基礎(chǔ)。（1）限流電阻R的取值范圍。由圖8-12(a)可知，當(dāng)Ui=Uimax、Io=Iomin時，IDZ最大，此時應(yīng)保證：即當(dāng)Ui=Uimin、Io=Iomax時，IDZ最小，此時應(yīng)保證即

因此，限流電阻R的取值范圍為282～625Ω。

（2）電路的穩(wěn)壓系數(shù)和輸出電阻圖8-12(a)的微變等效電路如圖(b)所示。則有2串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理

穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路演變串聯(lián)型穩(wěn)壓電路演變集成穩(wěn)壓電源圖13中：

Ui是整流濾波后的不穩(wěn)定輸入電壓，Uo為穩(wěn)定輸出電壓。電阻R1、R2、R3構(gòu)成取樣電路，采集輸出電壓的變化量；限流電阻R和穩(wěn)壓管VDZ構(gòu)成基準(zhǔn)電壓電路，為比較放大電路A提供一個穩(wěn)定性較高的直流基準(zhǔn)電壓UREF；三極管V稱為調(diào)整管，其管壓降UCE為Ui與Uo之差。由于取樣電路電流IR1遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于負(fù)載電流Io，調(diào)整管V與負(fù)載RL近似串聯(lián)，故稱串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。圖13串聯(lián)型穩(wěn)壓電路原理圖

由于某種原因（如電網(wǎng)電壓波動或負(fù)載電流變化等）使輸出電壓Uo增大時，取樣電壓

加在A同相端的UREF與加在反相端的u-相比較，兩者的差值被放大后送至調(diào)整管V的基極，使基極電位UB降低；由于電路為射極輸出形式，故Uo也隨UB的降低而降低，即Uo得到了穩(wěn)定。此時Ui-Uo增大的部分全部由調(diào)整管V承擔(dān)，這是通過基極電位UB降低，基極電流IB和集電極電流IC隨之減小,導(dǎo)致UCE增大而自動實現(xiàn)的。整個過程可概括為：也增大

Uo↑→u-↑→UB↓→Uo↓當(dāng)Uo減小時，同理有Uo↓→u-↓→UB↑→Uo↑由上述分析可知，串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓過程實質(zhì)上是通過負(fù)反饋實現(xiàn)的，且為電壓串聯(lián)負(fù)反饋。調(diào)整管V在穩(wěn)壓過程中起到了關(guān)鍵作用，其管壓降UCE可隨IC的變化而自動調(diào)整，這正是調(diào)整管名稱的由來。由圖13可得，

UB=Aud(UREF-u-)≈Uo

同時：

式中Aud為比較放大電路的電壓增益， 為反饋系數(shù)。在深度負(fù)反饋條件下，AudF>>1，所以：(8-20)(8-19)四線性集成穩(wěn)壓器

集成穩(wěn)壓器與一般分立元件的穩(wěn)壓器比較，具有穩(wěn)壓性能好，可靠性高，組裝和調(diào)試方便等優(yōu)點，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。目前集成穩(wěn)壓器已發(fā)展到數(shù)百個品種，常用的有下列幾種：(1)三端固定電壓式集成穩(wěn)壓器：這類穩(wěn)壓器有輸入、輸出和公共端這三個端子。輸出電壓由制造廠家預(yù)先調(diào)整好，使用時不能調(diào)節(jié)。采用F-1，F(xiàn)-2型等標(biāo)準(zhǔn)晶體管外殼，或S-7型功率塑料外殼，常用的有W78XX系列和W79XX系列等。(2)三端電壓可調(diào)式集成穩(wěn)壓器：這種穩(wěn)壓器有萬能通用電源之稱，外接少量元件就可以得到較大范圍內(nèi)的輸出電壓，使用十分方便，并能獲得較高的穩(wěn)壓精度。常用的有LM11７/217/317和LM137/237/337等。(3)跟蹤穩(wěn)壓器(正、負(fù)電源集成穩(wěn)壓器)：在要求正負(fù)電源對稱的場合(如運(yùn)算放大器等)，就需采用跟蹤穩(wěn)壓器。跟蹤穩(wěn)壓器能保證正、負(fù)輸出電壓始終是平衡的，中點始終為地電位，并具有自動跟蹤能力。常用的有MC1568／MC1468等。(4)浮置穩(wěn)壓器：如果要求輸出電壓的最大值超過40V，可采用MC1466／MC1566型浮置穩(wěn)壓器。（1）三端固定電壓式集成穩(wěn)壓器W78MXX系列和W78XX系列是三端固定正壓集成穩(wěn)壓器。兩個系列的區(qū)別是輸出電流不同，W78MXX為0.5Ａ，Ｗ78XX為1.5Ａ。W79MXX系列和W79XX系列是三端固定負(fù)壓集成穩(wěn)壓器，與W78MXX系列和W78XX系列相對應(yīng)。XX表示輸出電壓的大小，例如XX為05，則表示輸出電壓為5V，如果XX為12，則表示輸出電壓為12V。三端固定電壓式集成穩(wěn)壓器原理框圖和芯片內(nèi)部電路分別如圖8―20(a)和(b)所示?？梢钥闯?，它是由基準(zhǔn)電壓源、比較放大器、調(diào)整電路和取樣電路等組成的。典型應(yīng)用各種三端固定電壓集成穩(wěn)壓器無論采用何種電路，應(yīng)用方法都是相同的，圖所示分別是W78M05和W79M15集成穩(wěn)壓器的實際應(yīng)用電路。輸入端電容C1用來減小輸入電壓中的波紋。輸出端電容C2為了消除高頻噪音，C3用來改善瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)特性。要求輸出電壓不同時，可選用不同型號的集成穩(wěn)壓器。此外，還應(yīng)當(dāng)按要求的輸出電流選用適當(dāng)?shù)男吞枴＠巛敵鲭娏餍∮?00mA時，可選用W78LXX(或W79LXX)系列；輸出電流小于500mA時，可選用W78MXX(或W79MXX)系列；輸出電流小于1.5A時，可選用W78XX(或W79XX)系列。若需要更大的電流，則應(yīng)采用擴(kuò)流電路。擴(kuò)展應(yīng)用1)提高輸出電壓的方法三端固定電壓集成穩(wěn)壓器的最高電壓為24V。當(dāng)需要提高輸出電壓時，可以采用8―22(a)所示的升壓電路，電阻R1兩端電壓為穩(wěn)壓器的標(biāo)稱輸出電壓。整個穩(wěn)壓電源的輸出電壓Uo由下式?jīng)Q定:(8―21)式中，UXX為三端穩(wěn)壓器W78XX的標(biāo)稱輸出電壓；IQ為三端穩(wěn)壓器W78XX的靜態(tài)工作電流。一般三端穩(wěn)壓器的IQ約為幾個毫安。當(dāng)R1、R2的阻值較小時，靜態(tài)電流IQ在電阻R2兩端的電壓降IQR2可以忽略。這樣式(8-28)就可近似為(8―22)從式(8―22)可以看出，輸出電壓僅與R2/R1的比值和UXX有關(guān)。這種接法的缺點是當(dāng)輸入電壓變化時，穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流IQ也變化，IQ的變化將降低穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓精度。2)擴(kuò)展輸出電流電路三端穩(wěn)壓器可以通過外接功率晶體管擴(kuò)展輸出電流，如圖8―23所示。圖8―23(a)中外接的PNP管與W78MXX中的NPN調(diào)整管組成復(fù)合管，使用時應(yīng)根據(jù)所需的負(fù)載電流選用適當(dāng)?shù)耐饨泳w管。圖8―23擴(kuò)展輸出電流電路由于R1中流過W78MXX的空載電流和部分負(fù)載電流，故其阻值不宜增大，一般約幾歐姆。為了避免外接調(diào)整管因過流而損壞，應(yīng)增加限流保護(hù)電路，如圖8―23(b)所示。該穩(wěn)壓電源輸出的最大電流由下式?jīng)Q定：(8―23)8.3.2三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器1.117／217／317系列117系列是輸出電壓為1.2～37V可調(diào)式三端線性集成穩(wěn)壓器，117系列的引腳圖和原理圖見圖8―26。圖8―26117系列的引腳圖和原理圖使用時，只要滿足穩(wěn)壓器輸入與輸出的壓差在3～40V之間，117系列的穩(wěn)壓器就能正常工作。典型應(yīng)用電路如圖8―27(a)所示。工作中LM117的輸出和調(diào)節(jié)端之間形成1.25V的基準(zhǔn)電壓UREF，該基準(zhǔn)電壓加在設(shè)定電阻R1上，產(chǎn)生恒定電流，再流過輸出設(shè)定電阻R2，得到的輸出電壓為(8―24)圖8―27117系列穩(wěn)壓器應(yīng)用電路117系列穩(wěn)壓器本身具有較高的穩(wěn)壓精度，但調(diào)整端通過電阻R2接地，這樣輸出電壓的精度會受到R2